【Qt for Android】OpenGL ES 繪製彩色立方體

Qt 內置對OpenGL ES的支持，選用Qt進行OpenGL ES的開發是非常方便的，許多輔助類都已經具備。從Qt 5.0開始增加了一個QWindow類，該類既可以使用OpenGL繪製3D圖形，也可以使用QPainter繪製2D傳統的GDI+圖形，5.0以前的QGLWidget不推薦再使用。在即將到來（官方時間是今年秋天）Qt 5.4會完全廢棄QGLWidget，作爲替代將會新增QOpenGLWidget和QOpenGLWindow類來方便OpenGL的編程。

好了廢話不多說了，今天我會使用OpenGL ES繪製一個彩色立方體，先在桌面平臺編譯運行成功後，再針對Android平臺編譯一次即可，下面是在Android上的運行效果，基於同一個着色器繪製了四個相同的彩色立方體。

爲了使用OpenGL，我從QWindow類和QOpenGLFunctions類派生出了一個OpenGLWindow類，該類聲明如下：

class OpenGLWindow : public QWindow, protected QOpenGLFunctions
{
    Q_OBJECT
public:
    explicit OpenGLWindow(QWindow *parent = 0);
    ~OpenGLWindow();

    virtual void initialize();
    virtual void render(QPainter *painter);
    virtual void render(double currentTime = 0.0);      // elapsed seconds from program started.

protected:
    void exposeEvent(QExposeEvent *event);

private:
    QOpenGLPaintDevice *m_device;
    QOpenGLContext *m_context;
    QTime   startTime;
    GLuint m_program;
//    QOpenGLShaderProgram *m_shaderProgram;
 };

由於繼承自QWindow因此可以使用QWindow提供的OpenGL環境，不需要EGL來控制本地窗口顯示圖形。同時由於繼承自QOpenGLFunctions，所以在OpenGLWindow類的成員函數中可以直接使用 gl* 風格的原生的OpenGL API。在Qt中提供了很多封裝好的OpenGL便捷類，如QOpenGLShaderProgram可以很方便的對着色器程序進行操作，但這樣做可能對不熟悉Qt的人不友好，所以這裏我不用Qt提供的便捷類，而直接使用原生的C風格的 OpenGL API進行操作，這完全是可以的（這也是我喜歡Qt的原因之一：提供自身類庫的同時，允許你使用非Qt的類，並提供二者之間的轉換，如Qt中的容器類QVector、QMap、QString可以和C++標準庫中的相應容器相互轉換）。甚至你可以混合使用Qt的OpenGL類和原生的OpenGL API。

下面看看幾個關鍵的函數。首先是initialize()負責着色器的創建、編譯、鏈接等操作，並設置背景色。代碼如下，其中被註釋的部分是使用Qt自帶類庫實現相同的功能。

void OpenGLWindow::initialize()
{
    const char *vertexShaderSrc =
            "attribute vec4 a_position; \n"
            "uniform mat4 u_mvp; \n"
            "varying vec4 v_color; \n"
            "void main()               \n"
            "{                         \n"
            "      v_color = a_position*0.7 + 0.5;  \n"
            "      gl_Position = u_mvp * a_position; \n"
            "}                              \n";
    const char *fragmentShaderSrc =
            "varying vec4 v_color; \n"
            "void main()                    \n"
            "{                              \n"
            "   gl_FragColor = v_color; \n"
            "}                              \n";

    GLuint vertexShader = glCreateShader(GL_VERTEX_SHADER);
    glShaderSource(vertexShader, 1, &vertexShaderSrc, NULL);
    glCompileShader(vertexShader);

    GLuint fragmentShader = glCreateShader(GL_FRAGMENT_SHADER);
    glShaderSource(fragmentShader, 1, &fragmentShaderSrc, NULL);
    glCompileShader(fragmentShader);

    m_program = glCreateProgram();
    glAttachShader(m_program, vertexShader);
    glAttachShader(m_program, fragmentShader);
    glLinkProgram(m_program);

//    // add vertex shader(compiled internal)
//    m_shaderProgram->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Vertex, vertexShaderSrc);
//    // add fragment shader(compiled internal)
//    m_shaderProgram->addShaderFromSourceCode(QOpenGLShader::Fragment, fragmentShaderSrc);
//    // link shaders to program
//    m_shaderProgram->link();


    // set the background clear color.
    glClearColor(0.0f, 0.0f, 0.0f, 1.0f);
}

再來看看QWindow的QExposeEvent事件，當QWindow需要重繪時會調用該事件的處理函數exposeEvent()，這裏我對該事件的處理函數進行了重寫。isExposed()用來判斷當前窗口是否顯示在屏幕上（onScreen or offScreen），只有顯示在屏幕上時才重繪（雖然窗口需要重繪，但是由於沒有顯示在屏幕上，重繪了也沒人看得見，所以加這個判斷可以減少不必要的繪圖操作）。首先創建OpenGL上下文，然後進行調用相應的初始化函數，這兩步只在第一次被執行，以後不會再執行。接下來是該函數的核心部分，調用render()函數在後端緩衝區進行圖形渲染，然後交換前端和後端緩衝區，讓後端緩衝區圖形顯示到界面上。

void OpenGLWindow::exposeEvent(QExposeEvent *event)
{
    Q_UNUSED(event)
    static bool needInit = true;

    // Returns true if this window is exposed in the windowing system.
    if (isExposed())
    {
        if (m_context == nullptr)
        {
            m_context = new QOpenGLContext(this);
            m_context->setFormat(requestedFormat());
            m_context->create();
        }
        m_context->makeCurrent(this);

        if (needInit)
        {
            initializeOpenGLFunctions();
            this->initialize();
            needInit = false;
        }

        // calculate elapsed seconds from program started.
        double duration = startTime.msecsTo(QTime::currentTime()) / 1000.0;
        render(duration);

        m_context->swapBuffers(this);
    }
}

最後看看render()渲染函數，這個也是學習OpenGL的主要部分。

在render()函數的開始部分創建了一個QOpenGLPaintDevice實例，該示例用於繪製QPainter的繪圖操作，這裏可以忽略，刪掉也可以。接下來就是定義立方體的頂點位置，以及頂點索引。創建2個頂點緩衝區對象(vertex buffer object)，通過glBufferData()函數將立方體的頂點位置和頂點所以放到頂點緩衝區對象中，將頂點位置通過glVertexAttribPointer()傳遞給頂點着色器。計算model/view/projection，然後將結果通過glUniformMatrix4fv()傳遞給頂點着色器中的mvp，最後使用glDrawElement()繪製立方體。立方體每個點的顏色由其所在的位置決定，所以不同位置的頂點具有不同顏色。

void OpenGLWindow::render(double currentTime)
{
    if (m_device == nullptr)
        m_device = new QOpenGLPaintDevice;
    m_device->setSize(this->size());

    static GLfloat vCubeVertices[] = {
        -0.5f,  0.5f,  0.5f,  // v0
        -0.5f, -0.5f,  0.5f,  // v1
         0.5f, -0.5f,  0.5f,  // v2
         0.5f,  0.5f,  0.5f,  // v3
         0.5f, -0.5f, -0.5f,  // v4
         0.5f,  0.5f, -0.5f,  // v5
        -0.5f,  0.5f, -0.5f,  // v6
        -0.5f, -0.5f, -0.5f, // v7
    };
    static GLushort vCubeIndices[] = {
        0, 1, 2, 0, 2, 3,   // front face
        5, 6, 7, 4, 5, 7,   // back face
        0, 1, 7, 0, 6, 7,   // left face
        2, 3, 4, 3, 4, 5,   // right face
        0, 3, 5, 0, 5, 6,   // top face
        1, 2, 4, 1, 4, 7    // bottom face
    };

    glViewport(0, 0, width(), height());
    glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT | GL_DEPTH_BUFFER_BIT);

    glUseProgram(m_program);

    GLuint vbos[2];
    glGenBuffers(2, vbos);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
    glBufferData(GL_ARRAY_BUFFER, sizeof(vCubeVertices), vCubeVertices, GL_STATIC_DRAW);

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glBufferData(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, sizeof(vCubeIndices), vCubeIndices, GL_STATIC_DRAW);

    glBindBuffer(GL_ARRAY_BUFFER, vbos[0]);
    glEnableVertexAttribArray(0);
    glVertexAttribPointer(0, 3, GL_FLOAT, GL_FALSE, 0, 0);
    glBindAttribLocation(m_program, 0, "a_position");

    static GLfloat angle = 0.0;
    GLuint mvpLoc = glGetUniformLocation(m_program, "u_mvp");
    QMatrix4x4 model, view, projection, mvp;
    model.rotate(angle + 5, QVector3D(1,0,0));
    model.rotate(angle - 5, QVector3D(0,1,0));
    model.scale(0.5, 0.5, 0.5);
    view.translate(0.5, 0.5, 0);
    angle += 10;
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());

    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    /* draw another cube in different place with the same shader */
    view.translate(-1.0, 0, 0);
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    view.translate(0.0, -1.0, 0);
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    view.translate(1.0, 0, 0);
    mvp = projection * view * model;
    glUniformMatrix4fv(mvpLoc, 1, GL_FALSE, mvp.constData());
    glBindBuffer(GL_ELEMENT_ARRAY_BUFFER, vbos[1]);
    glDrawElements(GL_TRIANGLES, sizeof(vCubeIndices)/sizeof(GLushort), GL_UNSIGNED_SHORT, 0);

    QPainter painter(m_device);
    render(&painter);

    glDeleteBuffers(2, vbos);
}

好了大致就這樣了~